一种获得跨声速风洞堵塞干扰因子的方法

技术领域

本发明涉及实验空气动力学领域，尤其涉及一种获得跨声速风洞堵塞干扰因子的方法。

背景技术

洞壁干扰是影响风洞试验数据质量的重要因素之一，按照干扰影响范围，洞壁干扰可以分为堵塞干扰和升力干扰两部分，分别对来流速度和模型迎角进行修正。由于堵塞干扰不仅影响试验数据的准度，还会导致试验段入口速度的畸变，因此堵塞干扰是影响风洞运行和试验数据质量的关键因素。目前国内外主要风洞试验机构多采用经典线性法或壁压修正法对堵塞干扰进行修正，但是这两种方法均存在较明显的缺点：经典线性法采用简单的线性边界条件模拟试验段壁板，进而采用数值方法计算堵塞干扰量，对于低速实壁或自由边界能够实现较好的修正效果，但对于跨声速风洞的孔壁、槽壁等透气壁板不适用，经典的无穿透和无滑移条件失效，无法准确获得透气壁板的堵塞干扰量；壁压信息法需要在模型试验的同时测得壁面压力分布作为边界条件，大幅增大了试验难度和成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术在数据修正准确性、工程应用可靠性方面存在的技术缺陷，提出了一种获得跨声速风洞堵塞干扰因子的方法。

为了实现上述目的，本发明提出了一种获得跨声速风洞堵塞干扰因子的方法，基于外形相同，缩比不同的大尺度模型和小尺度模型实现，所述方法包括：

在大尺度模型和小尺度模型若干个相同位置分别标注测点；

对标注测点后的大尺度模型和小尺度模型分别在风洞中进行定马赫数变迎角测压试验，得到两套尺度模型各标注测点在不同迎角下的压力系数；

对每套模型的压力系数均进行马赫数插值，得到名义马赫数状态下的压力系数；

从小尺度模型名义马赫数状态下的压力系数中选取压力系数随迎角变化最小的k个点，k不小于3；

从大尺度模型名义马赫数状态下的压力系数中选取与小尺度模型相同位置的k个点，计算这k个点在大尺度模型与小尺度模型对应的压力系数的差量；

结合小扰动方程，根据压力系数的差量得到k个堵塞干扰因子，求取平均值得到当前试验状态下大尺度模型的堵塞干扰因子。

作为上述方法的一种改进，所述小尺度模型的最大截面积不超过试验段横截面积的0.3％，大尺度模型截面积不超过试验段横截面积的1.0％。

作为上述方法的一种改进，所述计算这k个点在大尺度模型与小尺度模型对应的压力系数的差量；具体为：

计算这k个点在大尺度模型与小尺度模型对应的压力系数的差量ΔC

ΔC

其中，C

作为上述方法的一种改进，所述结合小扰动方程，根据压力系数的差量得到k个堵塞干扰因子，求取平均值得到当前试验状态下大尺度模型的堵塞干扰因子；具体为：

结合小扰动方程，根据压力系数的差量ΔC

其中，Ma为名义马赫数；

则当前试验状态的大尺度模型堵塞干扰因子ε为：

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明提出了一种有别于经典线性法的堵塞干扰因子确定方法，采用不同缩比模型测压结果对比的新思路，对比中还对试验状态，模型迎角，测点选择等过程提出了新的具体要求；

2、本发明适用于跨声速孔壁、槽壁等透气壁试验段，与经典线性法相比，有效拓展了适用范围，同时避免了壁压信息法需要实时测量壁面压力分布的复杂难题；

3、本发明通过马赫数插值，结合测点压力随姿态角变化关系获得堵塞干扰对试验结果影响的差异，进而计算堵塞干扰因子，通过调整风洞运行参数，还可获得堵塞干扰因子随运行参数的变化情况，工程实用性好。

附图说明

图1是不同缩比模型外形对比示意图；

图2是小尺度模型剖面压力系数随模型迎角的变化曲线；

图3是小尺度模型剖面压力系数对名义马赫数插值前后的对比曲线。

具体实施方式

本发明考虑到堵塞干扰主要体现为模型绕流差异，因此对比不同尺度模型在同一设备中的试验结果即可准确评估该影响的量级，进而得到类似构型模型的堵塞干扰因子。因此，针对特定构型模型和试验设备，发展快速可靠的跨声速风洞堵塞干扰因子评估方法，能够有效指导试验数据的修正和使用，提高试验质量，并且对于指导风洞壁板设计和参数影响分析具有重要的意义。

本发明提出的方法通过下述技术方案来实现：考虑到不同缩比模型试验数据之间的差异主要包括堵塞干扰影响、模型姿态角影响、试验马赫数影响等，可以将数据进行处理修正，提取堵塞干扰影响的差异量，进而获得堵塞干扰因子。这种方法的主要思路是采用外形一致，缩比不同的两套模型在同一风洞中开展测压试验，对原始数据进行马赫数插值，排除试验马赫数差异影响，利用随姿态角变化不敏感的测点进行对比，以小模型数据为无堵塞干扰影响数据，结合小扰动方程，得到大缩比模型的堵塞干扰因子。

本发明主要技术方案为：

首先利用不同缩比的两套模型在同一风洞中分别开展定马赫数变迎角测压试验，得到各测点压力系数随迎角的变化曲线；

第二，对试验马赫数进行插值，得到名义马赫数状态下各测点的压力系数；

第三，在所有测点中找到k个压力系数随模型姿态角变化的均方根偏差小于0.01的测点作为对比状态，k大于等于3；

计算这k个点在大尺度模型与小尺度模型对应的压力系数的差量ΔC

ΔC

式中，C

第四，结合小扰动方程，获得压力系数差异ΔC

堵塞干扰因子ε定义为模型中心处流向扰动速度与未扰来流速度的比值：

将速度与马赫数关系

式中，u为流向速度，Δu为堵塞干扰引起的流向速度差异，T为气流温度，ΔT为堵塞干扰引起的温度差异，Ma为名义马赫数，γ＝1.40为气体常数；

根据温度与马赫数之间的等熵关系可得：

因此：

即：

根据压力与马赫数之间的等熵关系可得：

式中，P为气流压力，ΔP为堵塞干扰引起的流向压力差异；

模型第i个测点压力系数为：

式中，P

可得第i个测点压力系数差异为：

对上式展开，整理可得对应的压力系数差量ΔC

ΔC

第五，以小模型压力系数为无干扰数据，对比大小模型压力系数差异，获得当前试验状态下的堵塞干扰因子量值。

大尺度模型第i个点的堵塞干扰因子ε

式中，C

则当前试验状态的大尺度模型堵塞干扰因子ε为：

所述不同缩比是指两套模型外形几何相似，但比例不同，小模型最大截面积不超过试验段横截面积的0.3％，大模型截面积不超过试验段横截面积的1.0％；

所述压力系数是指模型表面压力的表征量，采用试验段来流静压与速压进行无量纲化；

所述名义马赫数是指理想条件下，忽略风洞控制、模型扰动影响等因素导致的流场波动，对应的目标马赫数；

所述小扰动方程是指在无粘、无旋假设条件下，流动近似满足的控制方程；

所述压力系数差异是指小尺度模型表面测点压力系数与大尺度模型表面测点压力系数的差量；

所述堵塞干扰因子是指与试验模型外形、体积、壁板参数、风洞运行条件等有关的无量纲系数，其量值用于计算试验段入口马赫数修正量。

为了达到更好的技术效果，两套缩比模型待对比的压力系数均需对马赫数进行插值，得到名义马赫数下的试验结果；

为了达到更好的技术效果，准确获得堵塞干扰的单独影响量，对比的测点压力系数必须对模型姿态角不敏感，以排除模型尺度导致的迎角差异影响；

为了达到更好的技术效果，采用三个测点的压力系数对比分别确定堵塞干扰因子，然后对三个量值进行平均，作为该模型在该试验条件下的堵塞干扰因子。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

本发明的实施例1提出了一种获得跨声速风洞堵塞干扰因子的方法，具体是获得2.4米跨声速风洞孔壁试验段堵塞干扰因子的方法，测压模型外形参考了美国X-37B空天飞机构型，在2.4米跨声速风洞孔壁试验段中进行了1:10，1:4.5两个不同缩比模型的机头测压试验，模型外形对比见图1，测点对称分布于机头左右两侧。

工作流程如下：

(1)通过定马赫数变迎角试验，获得模型头部测点压力系数随迎角的变化曲线，如图2所示；为小尺度模型在四种不同的迎角下标注测点的压力系数，自上而下的四条曲线分别对应迎角0.13°，4.24°，8.35°和10.43°。坐标系的横轴index是小尺度模型头部17个标注的测点，纵轴为压力系数。

(2)将所选测点的压力系数对马赫数进行插值，得到名义马赫数下的压力系数，插值前后的压力系数对比，如图3所示；各迎角下实际马赫数与名义马赫数差异为0.0002～0.0012，插值前后压力系数差异为0.0003～0.0030，最大值出现在迎角4.24°。

(3)按照试验结果，确定压力系数随迎角变化小的三个测点，本例中选择第9、10、11点，本例结果如下表；

(4)检查四个迎角下压力系数的均方根偏差是否小于0.0100，对于本例计算结果分别为0.0087、0.0076、0.0090，满足计算要求；

(5)求迎角0求时两套模型相同位置测点压力系数差量ΔC

(6)按照压力系数差异ΔC

(7)求三个测点的平均值作为大尺度模型当前试验状态下的堵塞干扰因子，量值为0.0016。

按上述步骤得到堵塞干扰因子后即可对大尺度模型试验结果进行堵塞干扰修正，根据计算结果，修正后试验段入口马赫数约为0.8014，即堵塞干扰导致模型绕流加速，量值约为0.0014。

本发明的方法在准确可靠的基础上，通过不同缩比模型试验获得特定试验设备的堵塞干扰因子，以利于堵塞干扰量的修正和分析，并为风洞壁板设计和试验数据相关性分析提供有力手段。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。